Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I A.A

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I A.A BIOFISICA DELLE MEMBRANE

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3 Negli organismi pluricellulari, a parte i tessuti tegumentari e gli epiteli assorbenti e secernenti, la maggior parte delle cellule non è in contatto diretto con l ambiente ma con il mezzo interno (liquido extracellulare o interstiziale) prodotto dalle stesse cellule. L ambiente extra-cellulare è, pertanto, l ambiente in cui vivono le cellule di un organismo. Poiché i parametri fisico-chimici del mezzo interno variano continuamente a causa dell attività metabolica delle cellule, essi devono essere continuamente riportati ai valori ottimali che garantiscono la sopravvivenza cellulare. A questo provvedono organi di scambio o apparati regolatori molto perfezionati (apparato respiratorio, circolatorio, digerente ed escretore).

4 Omeostasi = mantenimento di una condizione costante del mezzo interno

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8 BIOFISICA DELLE MEMBRANE Le funzioni biologiche di tutti gli organismi viventi si svolgono mediante scambio di sostanze ed informazioni attraverso membrane. Membrana = struttura che separa due mezzi diversi (gas o liquidi) e che regola selettivamente il trasporto delle sostanze in essi contenute in entrata ed in uscita. compartimento 1 compartimento 2

9 Tipi di membrane biologiche giunzione intercellulare ambiente esterno all organismo membrana apicale membrana basolaterale ambiente interno dell organismo membrana epiteliale

10 Tipi di membrane biologiche ambiente esterno ambiente esterno ambiente interno membrana plasmatica ambiente interno membrane intracellulari CELLULA PROCARIOTE: membrana plasmatica CELLULA EUCARIOTE: membrana plasmatica membrane intracellulari

11 Tipi di membrane biologiche Membrana epiteliale 10-4 cm Membrana cellulare 10-7 cm

12 STRUTTURA DELLA MEMBRANA CAPILLARE

13 MEMBRANA CAPILLARE

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15 I fosfolipidi sono molecole anfipatiche

16 Organizzazione dei fosfolipidi in acqua ambiente acquoso ambiente acquoso

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20 Le proprietà del doppio strato dipendono dalla temperatura

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22 PROTEINE DI MEMBRANA 1) CANALI: proteine integrali (generalmente glicoproteine), che funzionano come pori per consentire l entrata e l uscita di determinate sostanze in cellula. 2) TRASPORTATORI (o carriers): proteine che, mediante cambiamenti conformazionali, consentono il passaggio selettivo di determinate molecole o ioni. 3) RECETTORI: proteine integrali che riconoscono specificatamente determinate molecole (ormoni, neurotrasmettitori, nutrienti ecc.). 4) ENZIMI: proteine integrali o periferiche che catalizzano reazioni enzimatiche sulla superficie della membrana. 5) ANCORAGGI DEL CITOSCHELETRO: proteine periferiche, affacciate dal lato citoplasmatico della membrana, che servono per ancorare i filamenti del citoscheletro. 6) MARCATORI DI IDENTITA CELLULARE: glicoproteine o glicolipidi caratteristici di ciascun individuo, che permettono l identificazione delle cellule provenienti da altri organismi (es. marcatori ABO).

23 Flusso di sostanza = J = quantità di materia che attraversa la membrana per unità di superficie e per unità di tempo Flussi attraverso membrane Flusso (soluto): J S = mol (soluto) cm -2 s -1 Flusso (soluzione): J V = cm 3 (soluzione) cm -2 s -1 Il flusso è una grandezza vettoriale Flusso totale: J S = J S 12 + J S 21 J V = J V 12 + J V 21

24 Velocità di diffusione attraverso membrane Velocità di trasporto: V S = S x J S [moli soluto/s] V = S x J V [cm 3 /s]

25 Meccanismi di trasporto Passaggio di sostanze tramite: processi fisici trasporto passivo Processi fisici Si ha flusso di soluto se tra i 2 compartimenti esiste una differenza (gradiente) di: - concentrazione diffusione - potenziale elettrico elettrodiffusione - temperatura termodiffusione - pressione idraulica filtrazione - pressione osmotica osmosi

26 Diffusione

27 Elettrodiffusione

28 Filtrazione (flusso massivo)

29 Flusso di soluto: J S = n.moli soluto /(cm 2 s) Flusso globale: J V = volume soluzione/(cm 2 s) Diffusione J S = P ΔC Elettrodiffusione J S = K ed ΔV Termodiffusione J S = K TΔT Flusso di volume J V = K P ΔP Osmosi J V = K o Δπ

30 Legge di Einstein A B

31 Coefficiente di diffusione Il coefficiente di diffusione libera D dipende da: - temperatura assoluta T - caratteristiche fisico-chimiche di soluto e solvente dimensioni molecola: raggio r attrito viscosità liquido D = kt/6πηr (almeno volte più grande nei gas che nei liquidi) k = R/N N = R = 8.3 J mol -1 K -1

32 Molecole R(Å) D(cm 2 s -1 ) H 2 O 1, O 2 2, C 6 H 12 O 6 4,5 6, Hb 31,0 6,9 10-7

33 La legge di Fick può essere applicata alla diffusione passiva attraverso la membrana cellulare C acq 1 > C acq 2 C acq 1 C m 1 C m 2 C acq 2 x La legge di Fick descrive la diffusione libera anche in ambienti non acquosi e quindi anche nell ambiente interno libero di una qualsiasi membrana omogenea il flusso netto transmembranario è espresso in funzione delle concentrazioni dentro la membrana : R(C m 1 C m 2) R = [C] olio /[C] acqua

34 Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici J S = P C con P = -D m R/ x = permeabilità della membrana R = coefficiente di ripartizione olio/acqua R = [S] olio /[S] acqua

35 La permeabilità relativa di una molecola attraverso un doppio strato lipidico è proporzionale al suo coefficiente di ripartizione R tra la fase di olio e la fase acquosa

36 Diffusione attraverso doppi strati fosfolipidici

37 Le membrane biologiche sono selettivamente permeabili: permeabili a molecole idrofobe e di piccole dimensioni, impermeabili a quelle polari Permeano le molecole di acqua (polari ma piccole), i gas (CO 2, O 2, N 2 ), altre molecole piccole polari (glicerolo), molecole grandi apolari (ormoni steroidei, idrocarburi). Ioni, zuccheri, AA, etc. permeano grazie a proteine di trasporto (carriers e proteine canale)

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40 Fondamentali vie di permeazione attraverso la membrana cellulare

41 Identificazione di regioni idrofobiche

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43 Gruppi laterali idrofobici CO NH

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45 J S = P C con P = -D m R/ x = permeabilità della membrana R = coefficiente di ripartizione olio/acqua

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47 Equilibrio diffusivo C 1 C 2 Time (s) ΔC J = PΔC

48 ΔC = costante J tempo

49 Energia libera e diffusione La variazione di energia libera che si osserva quando una mole di soluto viene trasferita da un mezzo a concentrazione C 1 ad un mezzo a concentrazione C 2 è data da: ΔG = RTln(C 2 /C 1 ) V 2 ΔG < 0 se C 2 <C 1 ΔG 0 se C 2 C 1 ΔG = 0 se C 2 =C 1 V 1 V indica il volume di soluzione in cui è contenuta una mole di soluto Equilibrio diffusivo ΔG = 0

50 Sinapsi chimica Vescicola presinaptica Membrana presinaptica Spazio sinaptico Membrana postsinaptica

51 Meccanismi di trasporto Passaggio di sostanze tramite: processi biochimici trasporto facilitato trasporto attivo

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